JP2008291703A - エンジン冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃費改善に有効なエンジン冷却システムを提供する。
【解決手段】エンジン１とラジエータ７との間で冷媒を循環させる電動ポンプ３を備えるエンジン冷却システム１００は、エンジン１のノッキングの強度を検出するノックセンサ５と、ノッキングの許容範囲においてエンジン出力と電動ポンプ３による動力損失との差がより大きくなるように電動ポンプ３の回転数を制御する制御部２を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンとラジエータとの間で冷媒を循環させる電動ポンプを備えるエンジン冷却システムに関する。

ガソリンを燃料とする内燃機関では、ガソリン及び空気からなる混合気を点火プラグから与えられる火花で着火することにより燃焼させている。この際、正常な燃焼であれば、火花で火種が出来、それが伝播することによって、全ての混合気が燃焼しつくすこととなる。燃焼が進むにつれて燃焼ガスは膨張し、燃焼室内の圧力が次第に高くなるため、未燃焼の混合気が圧縮され、火炎面からの熱伝達も加わり、その付近の温度が急激に上昇する。
しかしながら、混合気はある温度以上になると火炎伝播によらなくても、また点火プラグの火花によらなくとも、自己着火してしまう。この自己着火をノッキングという。

この自己着火の燃焼速度は５００ｍ／秒以上の高速であるため、その燃焼後の圧力が異常なまでに上昇し、衝撃波となって燃焼室内部に拡がることとなる。一般的に、音速（約３４０ｍ／ｓ）を越えると衝撃波が発生し、物質はそれぞれの特定周波数により破壊されやすくなる。内燃機関が備えるシリンダにあっては、当然ながら、ある程度破壊される条件を避けて設計され強度も備えている。しかしながら、シリンダ壁面の異常な温度上昇を起こすことにより度々ノッキングが発生し、耳障りな音が発生すると共に、将来的にエンジンの損傷を招くおそれがある。そのため、従来からノッキングの発生を防止するためにエンジンの点火時期を変更したり、エンジンの冷却程度を変更したりする技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、内燃機関の運転領域を検出し、その運転領域とその運転領域に応じた目標水温値マップとに基づいて冷却水の温度を制御すると共に、ノッキング強度を検出し、そのノッキング強度に基づいて点火時期を制御する内燃機関の冷却装置が開示されている。また、特許文献２には、ノッキングの発生し易さを表すノック指標に基づいてエンジンの冷却程度を制御し、冷却水温度や流量を変更する内燃機関に関して開示されている。そして、特許文献３には、ノックセンサのノックセンサ信号から燃料消費および／または排気ガスに対して最適となるように冷却水温の目標値を決定して制御する冷却水温度の制御方法が記載されている。更に、特許文献４には、エンジン水温に応じたフィードバック制御及びオープンループ制御をエンジンの運転状況に応じて切り替えて、電動式水ポンプの作動を制御するエンジンの冷却装置が開示されている。

上記特許文献１から４に記載のとおり、エンジンを冷却することによりノッキングを回避することができる。更には、ノッキングを回避することにより、エンジン効率（燃費）を向上させることができる。また、古くから使用されるメカウォータポンプでは冷却程度の制御に関して自由度がなく、その制御範囲は狭いものとなることから、近年ではメカウォータポンプに代わり電動ウォータポンプが使用されている。しかしながら、電動ウォータポンプは、流量の３乗に比例してポンプ動力が増加する特性があるため、ノッキングを回避することによりエンジン効率を向上させても、電動ウォータポンプを作動する動力が増えてしまうといった問題がある。

特開２００１−３０４０２８号公報（段落番号０００８等） 特開２００３−２３９７４７号公報（段落番号０００７、０００８等） 特表２００３−５１３１９１号公報（請求項１等） 特開平５−２３１１４９号公報（段落番号０００６、００５０等）

本発明の目的は、上記問題を鑑み、燃費改善に有効なエンジン冷却システムを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るエンジン冷却システムの特徴は、エンジンとラジエータとの間で冷媒を循環させる電動ポンプを備え、前記エンジンのノッキングの強度を検出するノックセンサと、前記ノッキングの許容範囲においてエンジン出力と前記電動ポンプによる動力損失との差がより大きくなるように前記電動ポンプの回転数を制御する制御部と、を備える点にある。

このような構成とすれば、ノックセンサから出力されるセンサ信号に応じてノッキングの許容範囲を認識できると共に、エンジン出力と電動ポンプによる動力損失との差が、より大きくなるように電動ポンプの回転数を制御することができる。また、ノッキングの許容範囲であればエンジントルクを大きくとることができるため、高効率で運転することが可能となる。したがって、エンジンの冷却効果を保ちながら、燃費を向上させることができる。

また、前記エンジン冷却システムは、前記ラジエータに流通する前記冷媒の流量を制御する流量制御弁を有すると共に、前記制御部が、前記エンジン出力と前記電動ポンプによる動力損失との差がより大きくなるように前記電動ポンプの回転数と前記流量制御弁の動作とを制御すると好適である。このような構成とすれば、電動ポンプのみならず状況に応じて流量制御弁の開弁度を調整することができるため、ラジエータに流通させる冷媒の流量調整を容易に行うことができる。したがって、燃費向上に適したエンジンの冷却が可能となる。

更に、前記エンジン冷却システムは、前記エンジンと前記ラジエータとの間で前記冷媒を循環させる冷媒循環路と、前記ラジエータをバイパスして前記冷媒を循環させるバイパス路と、を備え、前記流量制御弁が、前記冷媒循環路のうち前記バイパス路より前記エンジン側に配設されると好適である。このような構成とすれば、ラジエータをバイパスさせるバイパス路が配設されているため、電動ポンプの動作及び流量制御弁の開弁度調整を使い分けることができる。したがって、燃費向上に適した冷媒の流量調整が可能となる。

また、前記エンジン冷却システムは、前記エンジン出力が、少なくともエンジンの回転数、エンジントルク、空気量、点火時期を三次元マップに基づいて求められ、また、前記電動ポンプによる動力損失が、前記電動ポンプの消費電力をオルタネータの回転数に応じて求められる発電効率で除して算出されると良い。このようにエンジン出力と電動ポンプによる動力損失とを求めることにより、燃費が向上するように制御部が容易に制御することが可能となる。

〔本発明の第一実施形態〕
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。図１は、本発明のエンジン冷却システム１００の構成を示す概略図である。エンジン１は自動車等を動かすための動力源であり、運転中はガソリン等の燃料を燃焼し熱を発生する。このエンジン１は信頼性向上や燃費向上の観点から温度を常に一定に保つことが望まれる。しかしながら、上記のような燃焼による熱以外にも、外気からの影響や、自動車の走行状態にも依存する。このような要因からエンジン１の温度を一定に保つためにエンジン冷却システム１００が備えられている。なお、本エンジン冷却システム１００は、ＣＰＵを中核部材としてエンジンの冷却及びその冷却に関する種々の動作を行うための機能部をハードウェア又はソフトウェア或いはその両方で構築されている。

エンジン冷却システム１００は、冷媒となる冷却水を流通させるための冷媒循環路２０と、バイパス路３０とを備える。この冷媒循環路２０とバイパス路３０とは、エンジン１から冷却水が流出する領域を流出側経路として共通化されている。一方、エンジン１へ冷却水を流入する領域も流入側経路として共通化されている。また、これらの流路に冷却水を循環させるために電動ポンプ３が備えられている。この電動ポンプ３は、必要に応じて回転数を増減することができる。

冷媒循環路２０は、エンジン１とラジエータ７との間に冷却水を循環させる流路である。冷却水は、エンジン１からラジエータ７に流通し、ラジエータ７で熱を放出した冷却水は電動ポンプ３を介してエンジン１に戻る。また、ラジエータ７に冷却水が流入するラジエータ入口通路４０とラジエータ７から冷却水が流出するラジエータ出口通路５０との間には、ラジエータ７をバイパスして冷却水を循環させる（バイパス路３０からなる）バイパス通路６０が構成されている。冷却水は、エンジン１からバイパス通路６０を流通し、電動ポンプ３を介してエンジン１に戻る。

更に、バイパス通路６０とラジエータ出口通路５０との接続部には、ラジエータ入口通路４０とラジエータ出口通路５０とを流通する冷却水の水量を調節するための弁６が設けられる。ラジエータ７には、ラジエータ７に流入する冷却水を冷却するためにファン８が設けられる。このようにして、エンジン冷却システム１００はエンジン１を冷却させることができる。

また、エンジン１には、エンジン１のノッキングを振動として感知するノックセンサ５と、点火プラグ（図示せず）の点火時期を制御する点火時期制御手段４とが配設される。制御部２は、ノックセンサ５からのセンサ信号を受け、そのセンサ信号に応じて点火時期制御手段４に対して点火時期の制御を行う。更に、制御部２は、センサ信号に基づいて、電動ポンプ３の流量を決定する回転数の制御も行う（詳細は後述する）。

ここで、前述のようにノッキングは、未燃焼の混合気が圧縮されて点火プラグの火花によらず、混合気が自己着火してしまう現象であるが、特にエンジン１が高負荷となる領域で発生しやすい傾向がある。ノッキングの発生を防止する手段として、点火時期の遅角化、アンチノック性の高い燃料（例えば、ハイオクタン価ガソリン）の使用、燃焼室形状の最適化、エンジン１の冷却等が挙げられる。中でも点火時期の遅角化に関しては、有効な手段の一つであるが、逆にエンジン１にとっては最も燃費が良くなる点火時期が制限され、その最適な点火時期で点火が行うことができなくなるといった問題がある。

ノッキングの発生程度（ノック限界）とエンジン１の冷却程度との間には密接な関係があるため、この点火時期はエンジン１の冷却程度によって大きく変わる。エンジン１の冷却程度によるトルクと点火時期との関係を図２に示す。図２のように、エンジン１の冷却程度が強い程、ノック限界は拡がる方向になる。冷却程度を強めてノック限界が拡がると、エンジントルクを大きく取れたり、点火時期を進めたり（進角したり）することが可能となる。一方、エンジン１の冷却程度が弱い程、ノック限界は狭くなる方向になる。冷却程度を弱めてノック限界が狭くなると、エンジントルクが小さくなったり、点火時期を遅くしたりする（遅角する）必要がある。したがって、ノック発生領域では、冷却程度を強める程、大きなエンジントルクを得ることができるため、燃費が良くなることとなる。

ここで、本エンジン冷却システム１００のように電動ポンプ３にて冷却水を循環させる方式である場合には、この冷却程度を強めるには電動ポンプ３の回転数を上げて、冷却水の流量を増加させる必要がある。一般的に電動ポンプの場合には、電動ポンプの動力は流量の３乗に比例する関係となる（図３参照）。したがって、流量を増加させたい場合には、電動ポンプの動力も大きく（３乗に比例して）増加してしまう。

この電動ポンプ３の動力としては、オルタネータで発電された電気が使用される。オルタネータでは、エンジン１から得られた出力によりオルタネータが有するロータが回転し発電する。オルタネータが発電した電気は交流であるため、自動車の使用に適した直流に変換された後、様々な部分に供給される。余った電気はバッテリに充電される。しかしながら、この発電の際にオルタネータを構成する部品で生じる損失や、発電された交流を直流に変換する際に生じる損失等を発生してしまう。

このような損失によってオルタネータの効率は低下してしまうが、一般的なオルタネータは、図４に示すような効率特性を有する。オルタネータを作動させると所定回転数に達した時点で効率が最も良くなるが、そこから更に回転数が上がると、効率は次第に低下していく。したがって、ノッキングの発生を抑えるために電動ポンプ３の流量を上げて冷却程度を上げても、オルタネータの回転数が上がることになり、オルタネータの発電効率が低下することとなる。すなわち、冷却程度を強めてエンジントルクを増やしても、それ以上に電動ポンプ３でのエネルギーロスが増大する。そのため、本エンジン冷却システム１００は、このエンジン１の出力と電動ポンプ３による動力損失とから電動ポンプ３の回転数を制御することが可能となっている。その際には、エンジン１で得られる出力と電動ポンプ３の動力との差が最も大きくなるように制御する。電動ポンプ３の回転数を変化させることによりエンジン１の冷却程度も変化するから、エンジン1を適度に冷却することができると共に、エンジン１の効率を最適に設定することができる。したがって、このような制御を行うことにより、ノッキングの発生を抑制しつつ、燃費向上に適した冷却が可能となる。

本エンジン冷却システム１００の制御フローを図５に示す。まず、エンジン１が始動するとノックセンサ５から制御部２に対してセンサ信号が伝達される（ステップ＃０１）。このセンサ信号は、エンジン１が停止するまで随時、伝達されるようにしても良いし、所定時間毎に伝達されるようにしても良い。制御部２は、センサ信号に基づいてエンジン１がノック領域にあるか否かの判定を行う。エンジン１がノック領域にあり（ステップ＃０２：Ｙｅｓ）、更にノック限界内にあれば（ステップ＃０３：Ｙｅｓ）、制御部２はエンジン１のエンジン出力の算出を行う（ステップ＃０４）。このエンジン出力は、例えば、エンジン１の回転数、エンジントルク、空気量、点火時期から算出可能である。より具体的には、これらのパラメータを使用してエンジン１固有の出力に関する三次元マップに当てはめることにより、以下のようにエンジン１の出力を求めることが可能である。

エンジン出力は、エンジン１の回転数とエンジントルクとの積から求めることが可能である。しかしながら、エンジン１の運転状況により、エンジン１の点火時期が変化する。上述のように、特にノック領域では、点火時期が異なると、エンジントルクとエンジン出力との関係に差を生じるようになる。したがって、理想的な点火時期と実際の運転状況により決定される点火時期との差によるエンジントルクについて補正する必要がある。この補正は、エンジン回転数と空気量とから三次元マップによりトルク感度を求め、このトルク感度と点火時期の差との積から点火時期によるトルク補正値が算出される。算出されたトルク補正値と、エンジン回転数及び空気量から三次元マップに基づいて求められる理想状態におけるエンジントルクとの和から実際のエンジントルクを算出することができる。

次に、この状態における電動ポンプ３による動力損失の算出を行う（ステップ＃０５）。電動ポンプ３による動力損失は、電動ポンプ３を作動させる際の消費電力から算出することも可能であるし、流量や電動ポンプ３の回転数に基づいても算出可能である。また、流量は弁６の開弁度に大きく依存し、流量と開弁度と回転数とは相互に影響を与える。より具体的には、電動ポンプ３の消費電力をオルタネータの発電効率で除した値が、電動ポンプ３による動力損失となる。

そして、例えば電動ポンプ３の回転数を上げていく制御を行っている最中に、これらの算出されたエンジン出力から電動ポンプ３による動力損失を減じた値が前回（前回のフロー）より大きい場合には（ステップ＃０６：Ｙｅｓ）、制御部２は電動ポンプ３の回転数を上げて、現在より冷却程度を強める（ステップ＃０７）。一方、エンジン出力から電動ポンプ３による動力損失を減じた値が前回（前回のフロー）より小さい場合には（ステップ＃０６：Ｎｏ）、制御部２は電動ポンプ３の回転数を下げて、現在より冷却程度を弱める（ステップ＃０８）。逆に、例えば、例えば電動ポンプ３の回転数を下げていく制御を行っている最中に、これらの算出されたエンジン出力から電動ポンプ３による動力損失を減じた値が前回（前回のフロー）より大きい場合には（ステップ＃０６：Ｙｅｓ）、制御部２は電動ポンプ３の回転数を上げて、現在より冷却程度を強める（ステップ＃０７）。一方、エンジン出力から電動ポンプ３による動力損失を減じた値が前回（前回のフロー）より小さい場合には（ステップ＃０６：Ｎｏ）、制御部２は電動ポンプ３の回転数を下げて、現在より冷却程度を弱める（ステップ＃０８）。

このフローは、エンジン１が停止するまで継続して行われる（ステップ＃０９：Ｎｏ）。また、ノック領域でない場合（ステップ＃０２：Ｎｏ）や、ノック限界内でない場合（ステップ＃０３：Ｎｏ）には、ステップ＃０９にてエンジン１が停止しているか否かの確認を行う。

このようにエンジン出力と電動ポンプ３による動力損失との差を比較し、両者の差が最も大きくなるように制御部２が制御を行うことにより、ノッキングの発生を抑制しつつ、エンジン１の効率が良い状態で冷却することが可能となる。

〔本発明の第二実施形態〕
本発明に係る別実施形態について説明する。図６は、別実施形態に係るエンジン冷却システム１００の構成を示す概略図である。第一実施形態とは、ラジエータ７に流通する冷却水の流量が決定される弁６が、制御部２により制御可能な流量制御弁９になった点が異なる。また、ラジエータ７を冷却するファン８も制御部２により制御可能である。

このような構成とすれば、流量制御弁９の開弁度を調整することにより電動ポンプ３の流量を調整することが可能となるため、必要に応じて電動ポンプ３を動作させるために要する動力の低減化を図ることが可能となる。また、ファン８の動作も制御可能であるため、必要に応じてファン８を作動させたり停止させたりすることができると共に、ラジエータ７の冷却程度に応じてファン８の回転数を制御することも可能となる。したがって、エンジン冷却システム１００として、総合的に効率良く運転することができるため、ノッキングの発生を防止することが可能となる。

〔その他の実施形態〕
上記実施形態において、本エンジン冷却システム１００はガソリン用エンジンとして説明したがこれに限らない。ディーゼル用エンジンに本発明を適用することは当然に可能である。また、自動車用のエンジン以外に本発明を適用することも、当然に可能である。

上記実施形態において、図１に示すように弁６がエンジン１に冷却水が流入する流入側経路に設けられるとして説明したが、これに限らない。弁６をエンジン１から冷却水が流出する流出側経路に設けることも当然に可能である。更には、流出側経路及び流入側経路共に、弁６を備えるように構成することも当然に可能である。もちろん、図６における流量制御弁９を使用したエンジン冷却システム１００に対しても同様である。

上記実施形態において、エンジン１から冷却水が流出する流出側経路と流入する流入側経路において、夫々冷媒循環路２０とバイパス路３０とが一部を共通するように構成されているとして図１及び図６に図示したが、これに限らない。エンジン１から冷媒循環路２０とバイパス路３０とが夫々共通することなく形成し、その夫々の流路に弁６、若しくは流量制御弁９を設けるように構成とすることも当然に可能である。このように構成した流路においても、本発明に係るエンジン冷却システム１００と同様の効果を得ることも当然に可能である。

上記実施形態の制御フローにおいて、冷却程度を強めたり（ステップ＃０７）、弱めたり（ステップ＃０８）する制御は、エンジン出力から電動ポンプ３による動力損失を減じた値が前回（前回のフロー）より大きいか否かにより決定されるとして説明したが、これに限らない。例えば、予め所定の閾値に応じて行われる制御を段階的に設定しておくことも可能である。このような構成とすれば、エンジン出力から電動ポンプ３による動力損失を減じた値に応じて効果的に制御を行うことが可能となる。

上記実施形態の制御フローにおいて、冷却程度を強めたり（ステップ＃０７）、弱めたり（ステップ＃０８）する制御は、制御フローのループ毎に都度、行うものとして説明したが、これに限るものではない。例えば、ループを複数回行ってエンジン出力と電動ポンプ３による動力損失との差の算出を行い、その結果に基づいて冷却程度を変更するような構成としたり、ループに要する時間を変更したりして制御することによりエンジン１のノッキングの発生を抑制しつつ、エンジン１を冷却することができることは当然である。このような構成であれば、複数回ループによる判定や時間をかけた判定が可能となり、信頼性の高い判定に基づいて制御することが可能となる。

本発明によれば、ノッキングの発生を抑制しつつ、エンジン１の冷却程度を強めるために電動ポンプ３の回転数を上げるだけでなく、電動ポンプ３の回転数を下げてエンジン1の出力を減じることにより冷却することが可能となる。したがって、エンジン１の出力と電動ポンプ３による動力損失とのバランスに応じて、電動ポンプ３の流量を増減させたり、エンジン１の点火時期を制御したりすることで、ノッキングの発生を抑制しつつ、燃費向上に寄与することが可能となる。

エンジン冷却システムの第一実施形態に係る構成を示す図 エンジントルクと点火時期との関係を示す図 電動ポンプ動力と電動ポンプ流量との関係を示す図 オルタネータの効率と回転数との関係を示す図 エンジン冷却システムの制御を示すフローチャート エンジン冷却システムの第二実施形態に係る構成を示す図

符号の説明

１：エンジン
２：制御部
３：電動ポンプ
４：点火時期制御手段
５：ノックセンサ
６：弁
７：ラジエータ
８：ファン
２０：第１流路
３０：第２流路
４０：ラジエータ入口通路
５０：ラジエータ出口通路
６０：バイパス通路
１００：エンジン冷却システム

Claims (5)

1. エンジンとラジエータとの間で冷媒を循環させる電動ポンプを備えるエンジン冷却システムであって、
   前記エンジンのノッキングの強度を検出するノックセンサと、前記ノッキングの許容範囲においてエンジン出力と前記電動ポンプによる動力損失との差がより大きくなるように前記電動ポンプの回転数を制御する制御部と、を備えるエンジン冷却システム。
2. 前記ラジエータに流通する前記冷媒の流量を制御する流量制御弁を有すると共に、
   前記制御部が、前記エンジン出力と前記電動ポンプによる動力損失との差がより大きくなるように前記電動ポンプの回転数と前記流量制御弁の動作とを制御する請求項１に記載のエンジン冷却システム。
3. 前記エンジンと前記ラジエータとの間で前記冷媒を循環させる冷媒循環路と、
   前記ラジエータをバイパスして前記冷媒を循環させるバイパス路と、を備え、
   前記流量制御弁が、前記冷媒循環路のうち前記バイパス路より前記エンジン側に配設される請求項２に記載のエンジン冷却システム。
4. 前記エンジン出力が、少なくともエンジンの回転数、エンジントルク、空気量、点火時期を三次元マップに基づいて求められる請求項１から３のいずれか一項に記載のエンジン冷却システム。
5. 前記電動ポンプによる動力損失が、前記電動ポンプの消費電力をオルタネータの回転数に応じて求められる発電効率で除して算出される請求項１から３のいずれか一項に記載のエンジン冷却システム。

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